郭 恒 亮，馮 珍 珍，赫 曉 慧，耿 慶 玲，田 智 慧

(1.鄭州大學 河南省超算中心，河南 鄭州 450052； 2.鄭州大學 地球科學與技術(shù)學院，河南 鄭州 450052)

近年來，人類改造自然界的力度和規(guī)模不斷增強，城市化規(guī)模擴展、經(jīng)濟生產(chǎn)、大型工程建設(shè)等人類活動對生態(tài)環(huán)境的擾動和壓力不斷增加，引發(fā)了諸多生態(tài)環(huán)境問題，人類活動干擾評價成為研究的熱點問題[1-2]。人類活動干擾強度是指一定面積區(qū)域的生態(tài)環(huán)境受人類活動影響而產(chǎn)生的擾動程度[3]，是評價區(qū)域人類活動對生態(tài)環(huán)境干擾程度的重要指標。對區(qū)域進行定量的人類活動干擾評價，全面客觀地認識區(qū)域人類活動干擾強度及其時空演化規(guī)律，有助于分析生態(tài)環(huán)境變化驅(qū)動因素，合理調(diào)控區(qū)域人類活動的影響范圍和強度，有效促進區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)和改善。

目前國內(nèi)外學者們主要從兩方面開展人類活動干擾評價：一是以土地利用/景觀作為人類活動的主要載體，通過對各類土地利用/景觀類型進行賦值并求和計算人類活動干擾強度[4-6]，如Brown、Reiss等通過將不同土地利用類型的能值綜合計算對河流、湖泊等區(qū)域進行人類活動干擾評價[2，7-8]；徐勇等、劉慧明等將不同土地利用類型按照一定標準換算成建設(shè)用地當量綜合計算，分別在黃土高原、黔南生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)開展人類活動對地面表層影響程度評價[9-10]。這類評價適用于較大范圍的人類活動干擾評價，能夠反映區(qū)域的人類活動干擾強度的空間差異，但對于特定區(qū)域僅從土地利用的變化方面來表現(xiàn)區(qū)域的人類活動強度不夠全面。另一方面學者根據(jù)特定區(qū)域的情況構(gòu)建多指標綜合評價體系計算人類活動干擾強度[2，11-12]，如張翠云選取人口總數(shù)、耕地面積、水庫總數(shù)等5個指標，利用變異系數(shù)法和綜合指數(shù)法定量評價黑河流域上中下游近50 a來的人類活動強度[13]；胡志斌選取道路、居民點和地形3個因子，采用層次分析法和綜合指數(shù)法定量評價岷江上游地區(qū)各縣人類活動強度[14]。這類評價結(jié)果能夠客觀地反映研究區(qū)的人類活動干擾狀況，但已有的研究大多依賴社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，指標的數(shù)據(jù)以空間地理數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)來源的研究相對較少，評價單元以行政單元為主，難以分析行政單元內(nèi)部的人類活動干擾強度時空分布特征。

隨著南水北調(diào)中線工程的建設(shè)，丹江口水庫蓄水、大壩加高、庫區(qū)工程建設(shè)、移民安置、城鎮(zhèn)擴張、退耕還林和植樹造林等，對庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了很大的影響。學者們對丹江口庫區(qū)生態(tài)環(huán)境進行了大量的研究，多集中于庫區(qū)內(nèi)的土地利用變化、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價、生態(tài)安全、生態(tài)脆弱性等相關(guān)研究[15-17]，人類活動大多作為生態(tài)環(huán)境變化的重要驅(qū)動因素考慮，而從人類活動對丹江口庫區(qū)生態(tài)環(huán)境的干擾強度角度進行評價的研究相對缺乏。本次研究利用遙感和GIS技術(shù)，結(jié)合空間地理數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，根據(jù)丹江口庫區(qū)的人類活動特點并基于“自然-經(jīng)濟-社會”模型構(gòu)建人類活動干擾評價指標體系，結(jié)合模糊層次法和TOPSIS綜合評價模型對庫區(qū)2000～2020年人類活動干擾強度進行評價，基于1 km格網(wǎng)尺度分析丹江口庫區(qū)人類活動干擾強度時空分布特征，并利用空間自相關(guān)法分析庫區(qū)人類活動干擾強度的空間集聚性特征，以期為丹江口庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、空間規(guī)劃以及水源地水資源保護提供參考。

1 研究區(qū)概況

丹江口庫區(qū)位于漢江干流和其支流丹江的交匯處，包含漢庫、丹庫和淅庫3個子水庫，庫區(qū)總面積達17 916 km2，見圖1。行政區(qū)劃上，丹江口庫區(qū)包括河南省的西峽縣、淅川縣；湖北省十堰市轄區(qū)(張灣區(qū)和茅箭區(qū))、丹江口市、鄖西縣、鄖陽區(qū)(原鄖縣)。庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，地形存在高差大、坡度陡、切割深的特點，主要呈現(xiàn)出盆地與峽谷交替的地貌。庫區(qū)位于南北氣候過渡地帶的秦巴山區(qū)，屬北亞熱帶季風氣候，具有四季分明、光能充足、雨熱同期等特點[15-16]。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of research area

2 研究方法與數(shù)據(jù)

為充分體現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)部的人類活動干擾強度的空間差異，本研究將丹江口庫區(qū)劃分為1 km×1 km的格網(wǎng)單元對庫區(qū)進行人類活動干擾評價。基于“自然-經(jīng)濟-社會”框架模型選取評價指標，利用RS和GIS技術(shù)進行提取指標信息，并對指標進行歸一化和權(quán)重的計算，最后根據(jù)TOPSIS綜合評價模型計算庫區(qū)的人類活動干擾強度。利用空間自相關(guān)法分析研究區(qū)人類活動干擾強度空間集聚性特征。

2.1 評價指標體系構(gòu)建

基于“自然-經(jīng)濟-社會”模型，結(jié)合丹江口庫區(qū)的實際情況，選取能夠科學反映人類活動，并具有代表性和可操作性的指標，構(gòu)建丹江口庫區(qū)人類活動干擾評價指標體系。

“自然-經(jīng)濟-社會”模型是從生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)構(gòu)建的框架模型。人類活動干擾強度與區(qū)域的自然條件現(xiàn)狀、經(jīng)濟發(fā)展和區(qū)域開發(fā)、社會的規(guī)模和人文影響度3個方面緊密聯(lián)系[18-19]，這3個方面相互制約相互影響，共同決定人類活動干擾強度。

人類活動干擾強度指標評價體系包含目標層、準則層和指標層。目標層指人類活動干擾強度，反映研究區(qū)人類活動對生態(tài)環(huán)境的干擾強弱；準則層包含自然、經(jīng)濟和社會3個復(fù)合指標，指標層指自然、經(jīng)濟和社會3個復(fù)合指標對應(yīng)的具體分指標。自然方面包括植被覆蓋度、總初級生產(chǎn)力、土壤侵蝕強度；經(jīng)濟方面包括第二三產(chǎn)業(yè)GDP產(chǎn)值、路網(wǎng)密度、城鎮(zhèn)用地面積比例和居民地距離；社會方面包括人口密度、地表溫度、單位耕地面積化肥施用量。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

南水北調(diào)中線工程于2002年開工，2014年正式通水，本次研究選取2000，2004，2010，2017，2020年為代表年份對庫區(qū)進行人類活動干擾評價，以分析2000～2020年庫區(qū)建設(shè)過程中人類活動干擾強度的時空變化特征。

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)：① Landsat影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，時相為2000～2020年每一年的4～8月，空間分辨率為30 m，云量低于10%；② MODIS 數(shù)據(jù)(MODIS17A2H、MODIS13A3和MODIS11A2，分辨率分別為500 m、1 km、1km)，來源于NASA官網(wǎng)，時相為2000～2020年每一年的5～9月。③ DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云的ASTER數(shù)據(jù)，時相為2009年，空間分辨率為30 m；④ 夜間燈光數(shù)據(jù)：DMSP/OLS包含2000，2004，2010年3期，分辨率為1 km；NPP/VIIRS的2017，2020年數(shù)據(jù)，分辨率為500 m，來源于美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心。⑤ 土地利用數(shù)據(jù)由中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心提供，2000～2020年共5期數(shù)據(jù)，空間分辨率1 km。⑥ 1∶25萬道路數(shù)據(jù)來源于中國國家基礎(chǔ)地理信息中心，包括2002，2015年兩期。

人口數(shù)據(jù)、化肥施用量數(shù)據(jù)、GDP等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，來源于2001～2020年的河南省統(tǒng)計年鑒、南陽市統(tǒng)計年鑒、十堰市統(tǒng)計年鑒。

數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要是對柵格數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括輻射定標、大氣校正、裁剪、重采樣、投影轉(zhuǎn)換等操作。數(shù)據(jù)的空間分辨率統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為1 km，坐標系為WGS84 Albers Conical Equal Area。各指標計算方法列于表1[20-23]。

表1 人類活動干擾評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of human activityinterference

2.3 數(shù)據(jù)標準化

利用極差標準化方法對各指標進行標準化處理，使各指標均分布在[0，1]范圍之間，解決指標量綱不同無法對比問題。正向指標和負向指標的標準化處理方法分別如下所示[24]。

正向指標：

(1)

負向指標：

(2)

式中：rij為標準化后第i個指標第j個格網(wǎng)的歸一化值，xij為第i個指標的第j個格網(wǎng)的原始值，xmax與xmin分別為第i個指標原始數(shù)據(jù)的最大值和最小值。

2.4 指標權(quán)重確定

權(quán)重的大小反映各指標對評價目標影響程度的大小。由于人類活動具有精確又模糊的雙重特性，因此本研究采用模糊層次分析法確定各評價指標的權(quán)重[25]。通過邀請專家兩兩比較，采用三角模糊數(shù)構(gòu)造模糊成對比較矩陣，進而計算層次單排序及總排序，檢驗判斷矩陣一致性，最后得到各評價指標的權(quán)重。各指標權(quán)重計算結(jié)果列于表1。

2.5 TOPSIS綜合評價

TOPSIS模型是一種距離綜合評價方法，被稱為“逼近理想解排序方法”[26]。在指標標準化后得到標準化矩陣的基礎(chǔ)上，選擇各指標最大值和最小值分別作為正、負理想點，分別計算各評價對象到正、負理想點的歐式距離，最后根據(jù)貼合度公式計算人類活動干擾強度。具體步驟如下：

(1) 構(gòu)建加權(quán)規(guī)范化矩陣。加權(quán)規(guī)范化矩陣V=(vij)m*n通過矩陣R的每一行與其相應(yīng)的權(quán)重wi相乘得到：

(3)

式中：n為評價格網(wǎng)總數(shù)，m為評價指標個數(shù)。

(2) 確定正理想解和負理想解。

(4)

(5)

(3) 測算指標理想解的歐式距離，分別計算每個格網(wǎng)單元到正理想解的距離D+和負理想解的距離D-。

(6)

(7)

式中：vij為第i項指標的第j個格網(wǎng)的加權(quán)規(guī)范化值；v+、v-分別為第i項指標在所有格網(wǎng)中的正理想解和負理想解。

(4) 計算各評價格網(wǎng)單元與最優(yōu)方案的貼合度，測度人類活動強度。

(8)

Cj值介于0～1之間，Cj越大，表明第j個格網(wǎng)單元的人類活動干擾強度越大；反之，人類活動干擾強度越小。根據(jù)相關(guān)研究及研究區(qū)的情況，將人類活動干擾強度分為5個等級：低(0～0.25)、較低(0.25～0.35)、中等(0.35～0.45)、較高(0.45～0.55)、高(0.55～1)。

2.6 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)是指檢驗空間位置上的某要素與其相鄰位置的觀測值是否具有顯著的關(guān)聯(lián)性，包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)兩種方法[9，27]。

全局空間自相關(guān)最常用的指標是Moran′s I指數(shù)，用于驗證整個研究區(qū)格網(wǎng)單元人類活動干擾強度的空間相關(guān)關(guān)系，判斷其在空間上是否存在集聚性。計算公式如下：

(9)

(10)

(11)

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)人類活動干擾強度時空變化分析

由提取的指標信息和指標的權(quán)重，利用TOPSIS綜合評價模型計算研究區(qū)格網(wǎng)單元內(nèi)的人類活動干擾強度并劃分等級，得到2000～2020年庫區(qū)人類活動干擾評價結(jié)果(分別見圖2和表2)。從圖2空間分布來看：2000～2020年庫區(qū)人類活動干擾強度區(qū)域差異明顯，庫區(qū)人類活動干擾強度呈現(xiàn)出東北部伏牛山區(qū)、西部秦嶺山區(qū)和西南部武當山區(qū)低，水庫沿線及周邊低海拔丘陵、沖積平原區(qū)高的分布特征。在空間變化上，2000～2020年低強度區(qū)由庫區(qū)邊緣地區(qū)向庫區(qū)中部大范圍擴展，較低和中等強度區(qū)沿河及水庫周邊逐漸縮減，較高和高強度區(qū)以城鎮(zhèn)為中心有小范圍擴展。

圖2 研究區(qū)人類活動干擾強度分布Fig.2 Interference intensity distribution of human activities in the study area

表2 研究區(qū)均值及各強度區(qū)所占面積比

由表2可以看出：2000～2020年研究區(qū)的人類活動干擾強度均值范圍在0.25～0.35之間，人類活動干擾強度整體來說處于較低強度。庫區(qū)的人類活動干擾強度逐漸降低，由2000年0.314降至2020年0.274。2000～2020年庫區(qū)以低強度和較低強度為主，較低強度區(qū)、中等強度區(qū)面積分別減少9.090%，12.362%，低強度區(qū)、較高強度區(qū)、高強度區(qū)面積分別增加21.038%，0.366%，0.048%。

分析人類活動干擾評價各指標均值在2000～2020年的變化情況(見表3)，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度、總初級生產(chǎn)力、土壤侵蝕強度、人口密度、地表溫度這5個指標的均值呈現(xiàn)出降低的趨勢，與庫區(qū)人類活動干擾強度逐漸降低的態(tài)勢較為一致，這與庫區(qū)在建設(shè)過程中實施的生態(tài)環(huán)境工程(退耕還林、植樹造林、封山育林等)、水土保持工程、生態(tài)環(huán)境綜合整治項目以及水庫大壩加高蓄水導致的人口外遷等有關(guān)[17]。其中，人口密度減幅最大，說明人口密度是導致人類活動干擾強度降低的主要因素。另外單位耕地面積化肥施用量、路網(wǎng)密度、居民地距離、第二三產(chǎn)業(yè)GDP產(chǎn)值和城鎮(zhèn)用地面積比例指標的均值逐漸增大，反映了庫區(qū)農(nóng)業(yè)、交通、經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化等方面對庫區(qū)的干擾在研究時段內(nèi)是逐漸增強的，是阻礙庫區(qū)整體人類活動干擾強度降低，導致人類活動干擾強度高強度區(qū)面積增加的主要原因。而單位耕地面積化肥施用量和路網(wǎng)密度兩個指標增幅最大，說明這2個因素起主要作用。

表3 研究區(qū)人類活動干擾強度相關(guān)指標在2000～2020年間的變化情況Tab.3 Changes in indicators of human activity interference intensity in the study area from 2000 to 2020

3.2 研究區(qū)人類活動干擾強度空間集聚特征分析

基于空間自相關(guān)方法探究丹江口庫區(qū)人類活動干擾強度的空間集聚特征。利用全局自相關(guān)法了解庫區(qū)人類活動干擾強度的空間關(guān)聯(lián)(集聚)程度，并利用局部自相關(guān)法識別人類活動干擾強度的高值和低值集聚的區(qū)域。結(jié)合庫區(qū)人類活動干擾強度的空間分布特征和集聚特征，進一步分析2000～2020年丹江口庫區(qū)人類活動干擾強度的演變規(guī)律。

利用ArcGIS全局自相關(guān)分析工具，對丹江口庫區(qū)2000～2020年的人類活動干擾強度進行全局空間自相關(guān)檢驗(表4)。結(jié)果顯示，檢驗結(jié)果通過了1%水平的顯著性，2000～2020年丹江口庫區(qū)人類活動干擾強度的Moran′s I均大于零，且Moran′s I值較大，可以得出丹江口庫區(qū)2000～2020年人類活動干擾強度的空間分布整體上表現(xiàn)出非常顯著的集聚性(正相關(guān))。

表4 研究區(qū)全局空間自相關(guān)分析結(jié)果Tab.4 Results of spatial autocorrelation analysis in the study area

利用ArcGIS冷熱點分析工具，對丹江口庫區(qū)2000～2020年的人類活動干擾強度做局部空間自相關(guān)分析。由圖3可知：2000～2020年的人類活動干擾強度冷點區(qū)主要分布在庫區(qū)東北部和西南部，這部分主要為山區(qū)，林草密集，人口密度較低，人類活動干擾強度也相對較低；熱點區(qū)主要分布在水庫沿線以及各縣市城鎮(zhèn)地區(qū)，水庫沿線及周邊地區(qū)水資源豐富，地勢相對平坦，農(nóng)耕灌溉較密集，農(nóng)藥化肥的施用量較大，對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境及地下水環(huán)境產(chǎn)生較大的干擾，而城鎮(zhèn)地區(qū)人口較多，建設(shè)用地增加，經(jīng)濟和社會發(fā)展對庫區(qū)也會造成干擾和壓力；較冷點區(qū)和較熱點區(qū)分別在冷點區(qū)和熱點區(qū)周圍零星分布。從空間變化來看，庫區(qū)人類活動干擾強度空間集聚性逐漸增強。2000～2020年熱點區(qū)水庫沿線范圍大幅縮小，尤其以淅川縣變化最為明顯，這得益于庫區(qū)退耕還林、大壩加高水庫蓄水、移民安置等措施。另一方面，熱點區(qū)范圍以城鎮(zhèn)為中心范圍略有擴大。冷點區(qū)、較冷點區(qū)和較熱點區(qū)變化不明顯。

圖3 研究區(qū)人類活動干擾強度空間集聚特征Fig.3 Spatial agglomeration characteristics of interference intensity of human activities in the study area

綜合來看，庫區(qū)人類活動干擾強度逐漸降低的同時，高值集聚區(qū)(即熱點區(qū))由水庫沿線及周圍地區(qū)大幅縮減，城鎮(zhèn)地區(qū)略有擴展，人類活動有向城鎮(zhèn)集聚的趨勢。這說明在國家政策的影響下，人類對庫區(qū)的干擾活動區(qū)范圍更為集中，這將減少人口粗放型生產(chǎn)生活對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境的干擾，有利于庫區(qū)生態(tài)環(huán)境進一步恢復(fù)與改善。結(jié)合影響庫區(qū)人類活動干擾強度增大的指標，在今后的管控管理中，應(yīng)加強庫區(qū)生態(tài)治理的同時，合理控制建設(shè)用地規(guī)模，嚴格保護耕地；應(yīng)減少化肥農(nóng)藥施用，降低農(nóng)業(yè)面源污染；發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)，促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。

4 結(jié) 論

本研究基于“自然-經(jīng)濟-社會”模型構(gòu)建了人類活動干擾強度的評價指標體系，并借助GIS和RS技術(shù)，利用模糊層次法和TOPSIS綜合評價模型對2000～2020年丹江口庫區(qū)人類活動干擾強度進行了格網(wǎng)化評價，研究了庫區(qū)1km格網(wǎng)尺度下人類活動干擾強度的時空分布特征；利用全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)法分析了丹江口庫區(qū)人類活動干擾強度的空間集聚特征。主要結(jié)論如下：

(1) 2000～2020年丹江口庫區(qū)人類活動干擾強度空間差異明顯，整體呈現(xiàn)出東北部伏牛山區(qū)、西部秦嶺山區(qū)和西南部武當山區(qū)低，水庫沿線及周邊低海拔丘陵、沖積平原區(qū)高的空間分布特征。

(2) 2000～2020年庫區(qū)低強度區(qū)大幅增加，較高強度區(qū)和高強度區(qū)面積略微增大，較低強度區(qū)、中等強度區(qū)面積均減少；2000～2020年庫區(qū)人類活動干擾強度均值逐漸降低。

(3) 2000～2020年丹江口庫區(qū)的人類活動干擾強度具有顯著的空間集聚性，高值集聚(熱點)區(qū)主要分布在水庫及周圍地區(qū)和城鎮(zhèn)地區(qū)，且水庫沿線及周圍地區(qū)大幅縮減，城鎮(zhèn)地區(qū)略有擴展。

由此可以看出，盡管近年來丹江口庫區(qū)實施的退耕還林、封山育林、移民安置等政策大大削弱了庫區(qū)的人類活動強度，但人類活動有向城鎮(zhèn)地區(qū)集聚的趨勢。同時，單位耕地面積化肥施用量、路網(wǎng)密度、居民地距離、第二三產(chǎn)業(yè)GDP產(chǎn)值和城鎮(zhèn)用地面積比例是導致庫區(qū)人類活動干擾強度高強度區(qū)面積小幅度增加以及高值集聚(熱點)區(qū)在城鎮(zhèn)地區(qū)小范圍擴展的主要原因。因此，為促進庫區(qū)生態(tài)環(huán)境的進一步恢復(fù)與提高，庫區(qū)各縣市應(yīng)注重城鎮(zhèn)地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和土地資源的集約化利用，加強農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綠色化，減少庫區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染。